Biolodzy wciąż borykają się z tajemnicą pochodzenia życia na Ziemi. Konieczne jest zrozumienie, jak powstały prymitywne bakterie i inne formy życia. Niewiele wiadomo o organizmie przodka, ale genomika pozwala dowiedzieć się czegoś o najstarszych stworzeniach, które zamieszkiwały świat u zarania jego istnienia. „Lenta.ru” opowiada o artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature, w którym autorzy próbują odpowiedzieć na pytanie, kim był LUCA (ostatni powszechny wspólny przodek), Luca jest uniwersalnym wspólnym przodkiem wszystkich współczesnych organizmów.
Nie było jeszcze trzech domen (super królestw) życia - bakterii, archeonów i eukariontów, ale on już istniał. Ten organizm jest pośrednim ogniwem między nieożywionym środowiskiem wczesnej Ziemi a pierwszymi drobnoustrojami, które żyły w skałach 3,8-3,5 miliarda lat temu. Nie wiadomo, jak wyglądał Łukasz iw jakich warunkach żył. Naukowcy, podobnie jak detektywi, kawałek po kawałku rekonstruowali jego podstawowe cechy. Opieraliśmy się na następującej zasadzie: ponieważ Łukasz jest przodkiem wszystkich żywych organizmów, to znaczy, że odziedziczyły po nim pewne cechy. W oparciu o biologiczne cechy każdej żywej istoty, biolodzy stworzyli portret Luke'a: jednokomórkowy organizm przypominający bakterię.
Nowe badanie przeprowadzone przez niemieckich naukowców umożliwiło wyjaśnienie wewnętrznej organizacji uniwersalnego przodka. Naukowcy ustalili, które geny mogą obejmować DNA Luke'a. Aby to zrobić, zastosowali podejście filogenetyczne, innymi słowy, przeanalizowali ewolucyjne relacje między różnymi typami życia na Ziemi. Zrobiono to w następujący sposób. Po ustaleniu, które białka są kodowane przez genom prokariotyczny, biologowie wybrali te, które spełniały kilka kryteriów. Po pierwsze, białko musi być obecne w wyższych taksonach bakterii i archeonów. Po drugie, jeśli skonstruujemy drzewo filogenetyczne - diagram odzwierciedlający relacje ewolucyjne - to bakterie i archeony, które posiadają to białko, powinny utworzyć grupę monofiletyczną, czyli mieć wspólnego przodka. Ten ostatni warunek zwiększa prawdopodobieństwo, że te same białka były obecne u Łukasza,i od niego zostały przekazane potomkom.
W sumie przeanalizowano ponad sześć milionów genów kodujących białka, które są obecne w 1847 genomach bakterii i 134 genomach archeonów. Łącznie naukowcy utworzyli 286514 grup (klastrów), z których tylko około 11 tysięcy zawierało białka bakteryjne i archeonowe. Kiedy zbudowano drzewa filogenetyczne i przetestowano grupy białek zgodnie z zasadą monofiletyczną, pozostało tylko 335 klastrów spełniających warunki początkowe. Według biologów wszystkie białka w końcowej próbce były obecne w genomie LUCA. Należy zauważyć, że kryteria te nie wykluczają możliwości poziomego transferu genów. Zatem białko, które po raz pierwszy pojawiło się we wczesnych bakteriach, mogło przedostać się do Archei i rozprzestrzenić się wśród przedstawicieli każdej z domen, chociaż nigdy nie było obecne w ciele Luke'a.
Biolodzy interesowali się genami, które tworzą „rdzeń informacyjny” w komórkach organizmów żywych. Mowa o 19 białkach biorących udział w syntezie rybosomów, a także ośmiu enzymach, które odgrywają główną rolę w tworzeniu transportowego RNA (przenoszą aminokwasy do miejsc budowy cząsteczek białka).
Czarni palacze
Film promocyjny:
Zdjęcie: NOAA / Wikipedia
Zrekonstruowany genom Luki sugeruje, że była to istota beztlenowa (przystosowana do środowiska beztlenowego), która otrzymała energię niezbędną do życia w wyniku chemosyntezy - reakcji chemicznych utleniających minerały. Najwyraźniej uniwersalny przodek żył w pobliżu kominów hydrotermalnych, podobnie jak czarni palacze. Wskazuje na to możliwa obecność w nim gyraz - enzymów specyficznych dla organizmów ciepłolubnych (termofilnych). Również w LUCA najprawdopodobniej istniały enzymy umożliwiające chemosyntezę, w której dwutlenek węgla jest jedynym źródłem węgla. Ogólnie organizm ten może otrzymywać energię z gazów, takich jak wodór, dwutlenek węgla i azot.
Niektóre enzymy zawierają skupiska żelaza i siarki (FeS), które stanowią grupę cząsteczek kofaktorów, które specyficznie wiążą się z białkami i określają ich aktywność katalityczną. Oznacza to, że Łukasz żył w środowisku bogatym w żelazo. Zidentyfikowano inną grupę białek zaangażowanych w metabolizm cukrów: glikozylazy i hydrolazy. Te enzymy we współczesnych komórkach są ważne dla syntezy ściany komórkowej, co może wskazywać na istnienie prymitywnej ściany komórkowej w LUCA.
Wielka pryzmatyczna wiosna to typowe siedlisko archaów
Zdjęcie: Jim Urquhart / Reuters
Odkrycia badaczy potwierdzają szereg ważnych tez. Klastry FeS, a także metale przejściowe w składzie kofaktorów, są dziedzictwem starożytnego metabolizmu. Pierwsze organizmy żywe powstały w kominach hydrotermalnych. Reakcje chemiczne zachodzące na granicy środowiska wodnego i skał skalistych stworzyły warunki do powstania życia. Pierwszymi przedstawicielami bakterii i archeonów były autotrofy, zależne od wodoru i wykorzystujące dwutlenek węgla jako terminalny akceptor w metabolizmie energetycznym (u zwierząt i roślin rolę tę pełni wdychany tlen).
Skonstruowane drzewa filogenetyczne nie pozwoliły na wyodrębnienie charakterystycznych dla LUCA białek, które brały udział w syntezie aminokwasów tworzących białka oraz nukleozydów tworzących DNA i RNA. Niemniej jednak uniwersalny przodek mógł powstać z tych składników, które powstały w wyniku spontanicznych procesów chemicznych charakterystycznych dla wczesnej Ziemi.
Co ciekawe, wyniki niemieckich biologów są sprzeczne z ustaleniami francuskich naukowców opublikowanymi w 2008 roku. Przypisywali cebulę organizmom preferującym umiarkowane temperatury (poniżej 50 stopni Celsjusza). Uważano, że LUCA nie może być termofilem ze względu na fakt, że jego białka nie są odporne na wysokie temperatury. W tym samym czasie przodkowie bakterii i archeonów mogli dobrze żyć w bardzo gorącym środowisku. Nowa praca zwraca uwagę nie na natychmiastową stabilność enzymów, ale na to, jakie warunki środowiskowe charakteryzują te białka.
Alexander Enikeev